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문제 정의
- 본 논문에서는 실험적 데이터를 기반으로 물 공기식 태양광열 복합생산 시스템의 성능을 비교하여 수치적 데이터로 제공한다. 각각의 실험 데이터를 이용하여 패널 온도에 따른 동일 조건에서의 전력생산량 비교, 전력효율 비교, 열에너지 생산과 총 에너지 효율 비교한 결과는 다음과 같다.
- 외기온도와 일사량의 발전량과의 관계를 각각 실험 데이터를 통해 확인해보았다. 각각의 실험에서의 발전량은 외기온도보다 일사량에 비교적 많이 의존적이지만, 외기온도가 패널온도에 영향을 받으므로 외기온도에 따른 전력효율을 고려하지 않을 수가 없다.
제안 방법
- (1) 동일 외기온도와 동일사량에 따른 각 실험의 발전량을 계산하고 비교해본다.
- (1) 실험데이터를 통해 동일외기온도, 동일사량에 대한 태양광의 발전량을 함수화 하여 나타내었다. 전력 생산량은 표면냉각 효과가 가장 큰 PVT_w가 가장 높았고, PVT_a, PV_r순으로 정리되었다.
- (2) 태양광(PV) 패널의 단위 온도에 따른 전력효율 상승분인 온도효율계수(ETC : Efficiency Temperature Coefficient)를 계산한다.
- (3) 복합생산 시스템의 총 효율(10)을 각 실험에 대하여 계산하고, 이를 PV 실험 결과와 비교하여 효율상승분을 정량적 수치로 비교한다.
- 실험의 종류는 기존의 태양광(PV)의 발전량을 측정하는 PV_r 실험과 공기열원 태양광열(PVT) 실험인 PVT_a와 수열원 태양광열 실험인 PVT_w가 있다. PV_r 실험의 경우 기존의 태양광 패널의 발전량을 기록해 PVT_a와 PVT_w 실험에 비교를 위한 실험으로, 여러 외기조건에 따른 많은 데이터를 수집하였다. 그리고 공기를 열원으로 이용하여 태양광 발전과 패널 냉각 및 열에너지를 생산하는 PVT_a 그리고 물을 열원으로 이용하여 태양광 발전과 냉각 및 열에너지생산을 동시에 하는 PVT_w 실험을 차례로 수행하였다.
- 공기의 유량은 정풍량으로 덕트입구에서 유속 측정장비를 이용해 측정하였다. PV에서 생산되는 전력량을 알아보기 위해 전압(V0)과 전류계(I0)도 모니터링 시스템과 연계하였다. 각각의 측정지점에서 나온 데이터는 엑셀 파일 형태로 시간별로 취득이 가능하다.
- 본 논문에서는 실험적 데이터를 기반으로 물 공기식 태양광열 복합생산 시스템의 성능을 비교하여 수치적 데이터로 제공한다. 각각의 실험 데이터를 이용하여 패널 온도에 따른 동일 조건에서의 전력생산량 비교, 전력효율 비교, 열에너지 생산과 총 에너지 효율 비교한 결과는 다음과 같다.
- 각각의 배면온도는 상(T1), 중(T2), 하(T3)로 나누어 측정하게 된다. 공기열원의 열 생산량을 보기 위해 공기의 입구(T4), 출구(T5)의 온도를 측정하고, 수열원 역시 물의 출입구(T6, T7)에 각각 설치하였다. 또한 수열원 실험에서 항온조의 온도를 맞춰주기 위한 항온조 온도센서(T8)를 설치하였다.
- 실험 데이터에 맞는 일사량을 측정하기 위한 센서(R1)를 패널 죄측 상단부에 설치 하였고, 유량(F1)을 측정하기 위한 유량계가 워터펌프에 장착되어있다. 공기의 유량은 정풍량으로 덕트입구에서 유속 측정장비를 이용해 측정하였다. PV에서 생산되는 전력량을 알아보기 위해 전압(V0)과 전류계(I0)도 모니터링 시스템과 연계하였다.
- PV_r 실험의 경우 기존의 태양광 패널의 발전량을 기록해 PVT_a와 PVT_w 실험에 비교를 위한 실험으로, 여러 외기조건에 따른 많은 데이터를 수집하였다. 그리고 공기를 열원으로 이용하여 태양광 발전과 패널 냉각 및 열에너지를 생산하는 PVT_a 그리고 물을 열원으로 이용하여 태양광 발전과 냉각 및 열에너지생산을 동시에 하는 PVT_w 실험을 차례로 수행하였다.
- (4) 하지만 전기와 열을 동시에 생산하는 태양광열(PVT) 모듈의 경우 열을 회수함과 동시에 표면온도를 냉각하여 태양광(PV)의 전력효율을 상승시킨다. 본 연구에서는 태양에너지를 이용해 전기만을 생산하는 기존 태양광(PV)발전인 PV_r 실험과 태양광 발전과 더불어 공기를 순환 하여 발생한 열에너지를 얻는 PVT_a 실험 그리고 물을 열원으로 하여 태양광(PV)패널 후면에 순환하여 열에너지를 얻는 PVT_w 실험으로 나누어 각 실험에서 얻는 데이터를 비교 분석한다. 실험데이터 분석을 통한 연구 목적은 다음과 같다.
- 실험 장치에서 측정된 데이터를 획득하기 위해 RTD 타입의 온도 센서와 일사량계 그리고 유량계와 전압, 전류를 측정하는 계측기를 모니터링 시스템에 설치하였다. 각각의 지점에서 획득하는 데이터는 1초 단위로 저장이 가능하며 모니터링 시스템을 통해 실시간으로 확인하고 제어가 가능하다.
- 더불어 우리나라에서도 신재생에너지를 통한 열에너지생산을 장려하는 신재생열에너지 공급의무화(RHO : Renewable Heat Obligation)(8) 제도가 시행 예정이다. 이러한 관점에서 본 연구에서는 태양에너지를 이용하여 열과 전기를 복합생산하고, 발전 효율까지 상승하는 태양광열(PVT) 모듈을 제작하여 실험을 수행하였고, 성능비교 연구가 수행되었다.
- 태양광열(PVT) 실험에서 열 에너지 생산은 각 열원의 출입구 온도를 기반으로 계산하였다.
대상 데이터
- 본 연구에서 사용한 태양광 패널은 H社의 I3A214-235P이다. 제조사에서 제공하는 사양에 따르면, 이 패널은 STC에서 최대출력 235 Wp와 효율은 14.
- 2절 에서는 PV_r 실험을 기준으로 PVT_a와 PVT_w 실험에서의 패널 온도에 따른 전력효율을 분석해 보았다. 분석에 사용한 패널 온도는 패널 뒷면에서 측정한 배면 온도이며 Fig. 3의 세 측정지점(T1, T2, T3)의 평균 값이다. 패널의 전력효율은 Solar Engineering of Thermal Processes(12)를 참조하여 식(1)에 의해 계산되었다.
- 수열원은 공기와 마찬가지로 태양광 패널의 후면에서 열교환이 가능하게 설계되었다. 순환 유체는 물을 이용하였으며, 순환하는 물을 저장하는 수조에 히트펌프를 연결하여 일정한 온도의 물이 순환유체로 공급되게 장치하였다. 집열장치 내부에는 총 1,500 ml의 유체가 동시에 열교환이 가능하다.
- 실험 장치는 크게 태양광 패널과 공기열원 집열 장치 그리고 수열원 집열 장치로 구성된다. 이 세 가지 장치를 태양광열(PVT)로 모듈화 하였으며, Fig.
- 집열장치 내부에는 총 1,500 ml의 유체가 동시에 열교환이 가능하다. 실험에서는 순한 유체로 물을 이용하였다. 자세한 수열원 집열장치에 대한 성능은 Table 3에 나타내었다.
- 실험은 대전광역시 유성구에 위치한 한국에너지기술연구원 부지에서 2013년 4월 1일~4월 20일에 걸쳐 외기조건이 비교적 좋은 조건일 때 반복 실험 하였다. 실험장치는 BIPV의 특성을 고려하여 실험기간 중에 항상 동일한 위치에서 수평면으로부터 약 80°의 동일한 패널 각도를 유지하였다.
- 005 J/g·℃ 를 사용하였다. 유량(#)은 실험 유량인 공기 59.35 CMH(21.1 g/s), 물은 5 LPM(83 g/s)을 적용하였다. 계산결과 실험 유량에서 공기열원은 출입구의 온도차 1℃당 15.
- 4%을 나타낸다. 패널의 크기는 너비 990 mm, 높이 1650 mm, 두께 38 mm, 전면유리 3.2 mm로 구성되어 있다. 더 자세한 전기적 특성은 Table 1에 나타내었다.
데이터처리
- 실험 데이터는 10:00~16:00사이의 비교적 일사량이 좋은 조건에서의 데이터를 결과분석에 이용하였으며, 분석과정에서 각 실험에 대한 외기온도와 일사량 조건을 맞추어 주기위해서 발전량에 대한 함수를 도출하여 분석을 진행하였다.
성능/효과
- (1) 총 연간 태양광 발전량은 최근 10년 사이 약 124배나 증가(1)하면서 태양열 발전은 새로운 전력생산 에너지원으로 자리 잡았다. 아직까지 국내 태양광 발전 시장규모는 세계 시장대비 5%에 불과하나, 신재생에너지 공급의무화(RPS : Renewable Portfolio Standard)(2)제도 같은 정부의 정책적인 지원으로 최근 5년간 연평균 145.
- (2) 실험 데이터로 분석한 기존의 태양광 패널의 발전효율은 12.22%이고, PVT의 전기효율은 PVT_a 13.06%, PVT_w 13.68%로 계산되었다. 패널 냉각효과에 따른 온도효율계수(ETC)는 외기온도 25℃, 일사량 700 W/m2의 조건에서 PVT_a에서 -0.
- (3) 전기에너지와 열에너지 생산을 합산한 총 효율은 각 실험에서 PV_r은 12.22%, PVT_a는 29.50%, PVT_w는 68.74%으로 계산되었고, 기존의 전기만 생산하는 태양광패널 대비 PVT_a는 2.2배, PVT_w에서는 5.6배의 효율향상이 나타난다.
- 1 g/s), 물은 5 LPM(83 g/s)을 적용하였다. 계산결과 실험 유량에서 공기열원은 출입구의 온도차 1℃당 15.69 Wt를 보여주었고, 수열원은 1℃당 348.32 Wt를 보여준다. Table 7는 실험 데이터를 이용하여 도출한 외기온도와 일사량에 관한 열에너지 생산량의 함수이다.
- 전력 생산량은 표면냉각 효과가 가장 큰 PVT_w가 가장 높았고, PVT_a, PV_r순으로 정리되었다. 또한 전력 생산량은 외기온도가 낮을수록 약간의 상승을 보였다.
- 일 때의 표면온도와 전력효율을 함수를 이용하여 계산한 결과이다. 이 결과를 통해 위 조건에서 PVT_w의 경우 기존의 태양광 보다 29.06℃ 낮은 온도를 유지했으며 전력효율은 1.46% 상승하였다. PVT_a의 경우에는 12.
- 의 조건에서 전기에너지와 열에너지 생산효율은 Table 8과 같이 정리된다. 전기효율과 열효율의 합을 총 효율로 정의하며, 그 효율은 PV_r 실험에서 12.22%, PVT_a실험에서 29.50%, PVT_w 실험에서 68.74%로 계산되었다.
- (1) 실험데이터를 통해 동일외기온도, 동일사량에 대한 태양광의 발전량을 함수화 하여 나타내었다. 전력 생산량은 표면냉각 효과가 가장 큰 PVT_w가 가장 높았고, PVT_a, PV_r순으로 정리되었다. 또한 전력 생산량은 외기온도가 낮을수록 약간의 상승을 보였다.
후속연구
- 본 연구에서 실험을 바탕으로 데이터 비교분석을 수행하여 나타난 수치들은 향후 태양광열(PVT)이용 복합 장치의 특성데이터로 이용이 가능하며, 향후 연구에서는 다양한 패널각도와 입력온도의 차별화를 두어 태양열실험 기준에 부합한 많은 실험데이터를 확보할 예정이고, 실용화를 위한 소재와 형상을 시뮬레이션을 하여 경제성과 타당성 연구를 진행할 예정이다. 또한 지열시스템과 연계한 PVT_GHP와 건물통합형 시스템인 BIPVT등 태양광열(PVT) 복합생산시스템의 열에너지의 활용기술의 연구를 할 예정이다.
- 본 연구에서 실험을 바탕으로 데이터 비교분석을 수행하여 나타난 수치들은 향후 태양광열(PVT)이용 복합 장치의 특성데이터로 이용이 가능하며, 향후 연구에서는 다양한 패널각도와 입력온도의 차별화를 두어 태양열실험 기준에 부합한 많은 실험데이터를 확보할 예정이고, 실용화를 위한 소재와 형상을 시뮬레이션을 하여 경제성과 타당성 연구를 진행할 예정이다. 또한 지열시스템과 연계한 PVT_GHP와 건물통합형 시스템인 BIPVT등 태양광열(PVT) 복합생산시스템의 열에너지의 활용기술의 연구를 할 예정이다.
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